張忠良

(身份證號：510623198112213515）

結(jié)構(gòu)選型對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的分析

張忠良

(身份證號：510623198112213515）

本文從結(jié)構(gòu)選型的角度對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，主要從結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置等幾個方面進(jìn)行了研究分析。

高層建筑；結(jié)構(gòu)抗震；抗震設(shè)計(jì)

一、結(jié)構(gòu)體系的合理正確選擇

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵是抗水平力的設(shè)計(jì)，抗水平力簡稱抗側(cè)力。根據(jù)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鋼筋砼結(jié)構(gòu)主要可分為框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)等4種結(jié)構(gòu)體系，其抗側(cè)剛度、抗震性能、適用范圍等各有不同。

砼框架結(jié)構(gòu)系由梁和柱等構(gòu)件連接成框架，梁主要承受豎向力，柱子承受豎向和水平方向荷載，是典型柔性結(jié)構(gòu)；該結(jié)構(gòu)的房屋墻體不承重，僅起到圍護(hù)和分隔作用。能提供靈活布置的室內(nèi)空間。側(cè)向變形較大，在強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)的薄弱層率先屈服，發(fā)生彈塑性變形，并形成彈塑性變形集中的現(xiàn)象，震害一般是梁輕柱重，柱頂重于柱底，尤其是角柱和邊柱更容易發(fā)生破壞，除剪跨比較小的短柱易發(fā)生柱中剪切破壞外，一般柱是柱端的彎曲破壞。因此框架結(jié)構(gòu)屬于以剪切變形為主的柔性結(jié)構(gòu)，使用高度受到限制，主要用于非抗震設(shè)計(jì)和層數(shù)相對較少的建筑中。

剪力墻結(jié)構(gòu)是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，來承受豎向和水平力的結(jié)構(gòu)稱為剪力墻結(jié)構(gòu)，在高層房屋中被大量運(yùn)用。剪力墻一般沿橫向和縱向正交布置或斜交布置，承受全部的水平荷載和豎向荷載，是典型剛性結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度比框架結(jié)構(gòu)大很多，側(cè)向變形量小，整體性好；但其自重大，結(jié)構(gòu)布置局限性大，很難實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)部大空間的設(shè)計(jì)。常常用于墻體較多，房間空間不大的住宅建筑中，可以以墻代柱與梁，使室內(nèi)無外露梁柱，實(shí)現(xiàn)美觀和增大空間的效果。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是由框架與剪力墻結(jié)構(gòu)綜合演變而來的一種結(jié)構(gòu)，在框架結(jié)構(gòu)中的某些合適部位增設(shè)一些剪力墻，是典型剛?cè)嵯嘟Y(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。能夠集合框架結(jié)構(gòu)和剪力墻的優(yōu)點(diǎn)，提供比剪力墻結(jié)構(gòu)更大的空間，比框架結(jié)構(gòu)更大抗側(cè)剛度，剪力墻主要承受水平荷載，豎向荷載由框架承擔(dān)。一般適宜用于 10～20層的高層建筑。

筒體結(jié)構(gòu)是由一個或數(shù)個筒體作為主要抗側(cè)力構(gòu)件而形成的，由框架-剪力墻結(jié)構(gòu)與全剪力墻結(jié)構(gòu)綜合演變而來，是將剪力墻或密柱框架集中到房屋的內(nèi)部和外圍而形成的空間封閉式的筒體。其特點(diǎn)是主要抗側(cè)力由四周的剪力墻圍成豎向薄壁筒和柱框架組成豎向箱形截面的框筒，形成整體，整體作用抗荷。剪力墻集中而獲得較大的自由分割空間，但結(jié)構(gòu)負(fù)載，框架較重，成本高，適用于平面或豎向布置繁雜、水平荷載大的高層建筑，多用于寫字樓建筑。常常分為筒體－框架、框筒、筒中筒、束筒四種結(jié)構(gòu)。

分析了幾種常用的結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)，不難得出，高層建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系通常是通過剪力墻提高。

二、根據(jù)受力特點(diǎn)選擇結(jié)構(gòu)類型

高層建筑從整體上講，可以看成一個豎向懸臂結(jié)構(gòu)。豎向荷載主要使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向壓力，跟建筑物高度是正相關(guān)的關(guān)系；水平荷載使整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩。豎向荷載方向不變，豎直向下，建筑越高荷載越大；水平荷載方向不定，四面八方均有可能，假定為均布荷載，彎矩與建筑高度呈二次方函數(shù)關(guān)系。豎向荷載引起的側(cè)移小，而水平荷載引起的側(cè)移大，是高度成四次方關(guān)系。在高層結(jié)構(gòu)中，水平荷載的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于豎向荷載的影響，水平荷載是高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素。

高層建筑主要受水平力影響（風(fēng)載和地震作用），因此想要提高抗震性能，選擇切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)類型，使之在相同的條件下，具有良好的結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟(jì)效果和建造速度是非常關(guān)鍵的。高層建筑的結(jié)構(gòu)類型常用鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋砼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能好、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，還具有構(gòu)件截面相對較小，具有很好的延性，常適用于柔性結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)是造價相對較高，當(dāng)場地土特征周期較長時，易發(fā)生共振。與鋼結(jié)構(gòu)相比，現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)具有空間整體性好，結(jié)構(gòu)剛度大，造價低及材料來源豐富等優(yōu)點(diǎn)，可以組成多種結(jié)構(gòu)體系，在高層建筑中被廣泛應(yīng)用，比較適用于提供承載力，控制塑性變形的剛性方案結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)主要是自重大，塑性變形能力差，施工工期長，當(dāng)場地土特征周期較短時，易發(fā)生共振。高層建筑采用何種結(jié)構(gòu)形式，主要取決于結(jié)構(gòu)體系、材料特性、場地土類型等。

三、合理布置結(jié)構(gòu)

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)布置一般應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

1.應(yīng)滿足建筑功能的要求，做到經(jīng)濟(jì)合理與便于施工。建筑物的開間、進(jìn)深、層高、層數(shù)等平面關(guān)系和體型除滿足使用要求外，應(yīng)盡量減少類型，盡量統(tǒng)一柱網(wǎng)布置和層高，使受力明確，結(jié)構(gòu)簡明，減少標(biāo)準(zhǔn)層的種類。

2.位移是高層建筑控制主要矛盾，除應(yīng)從平面布局和立面變化等方面考慮提高結(jié)構(gòu)的總體抗側(cè)剛度，從而減少結(jié)構(gòu)的位移。在結(jié)構(gòu)布置時，應(yīng)提高結(jié)構(gòu)的整體性、剛度、構(gòu)件的連接，達(dá)到最有效的共同作用的方式；提高基礎(chǔ)的整體性，以減少由于基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)或平移對結(jié)構(gòu)的側(cè)移作用，同時應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的薄弱部位和應(yīng)力復(fù)雜部位的強(qiáng)度。增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體寬度可減少側(cè)向位移，當(dāng)其它條件不變時，變形與寬度的三次方成正比。因此宜對建筑物的高寬比加以限制，體型扁而重的建筑抗震性能不佳，宜采用剛度較大的形狀，如方形、接近方形的矩形、圓形等，即把使用要求及建筑體型多樣化和結(jié)構(gòu)的要求有機(jī)地結(jié)合起來，又可形成側(cè)向穩(wěn)定的體系。

3.建筑平面形狀宜規(guī)則，豎向變形宜均勻。為了減少地震作用對建筑結(jié)構(gòu)的整體和局部的扭轉(zhuǎn)和應(yīng)力集中效應(yīng)等不利影響，建筑平面形狀宜規(guī)則，減少較大的外伸或內(nèi)收，沿高度的層間剛度和層間屈服強(qiáng)度的分部要均勻，抗側(cè)力豎向構(gòu)件的截面尺寸、砼強(qiáng)度等級和配筋量的變化不宜集中在同一樓層內(nèi)，在設(shè)計(jì)和施工中不宜盲目改變砼強(qiáng)度等級和鋼筋等級以及配筋量。簡單地說就是使結(jié)構(gòu)各部分剛度均勻且對稱，平面形狀應(yīng)力求簡單規(guī)則，立面體型應(yīng)避免外伸與內(nèi)凹，避免結(jié)構(gòu)豎向剛度突變等。平面的長寬比不宜過大，以避免兩端相距太遠(yuǎn)，振動不同步，應(yīng)使荷載合力作用線通過結(jié)構(gòu)剛度中心，以減少扭轉(zhuǎn)的影響。樓梯與電梯間不宜設(shè)在平面凹角部位或端部角區(qū)，它對結(jié)構(gòu)剛度的對稱性影響顯著。

四、提高結(jié)構(gòu)的抗震性能

高層建筑的受力特點(diǎn)與低層建筑不同，因此進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，建筑結(jié)構(gòu)具備足夠強(qiáng)度、剛度外和良好的抗震性能。通過科學(xué)的抗震設(shè)計(jì)，使建筑物達(dá)到“小震不壞，中震可修，大震不倒”標(biāo)準(zhǔn)。常用的方法是，使結(jié)構(gòu)具有一定的塑性變形能力來吸收消耗地震能量，從而減弱地震的破壞。

按照“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在地震作用下實(shí)現(xiàn)鋼筋砼結(jié)構(gòu)具有足夠的延性和抗破壞能力。常常采用合理地選擇柱截面尺寸、控制柱的軸壓比、構(gòu)造配筋要求和加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施等方式。

剪力墻高寬比不宜小于2，地震作用下呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量發(fā)生在剪力墻的底部。連梁應(yīng)有足夠的變形能力，塑性屈服宜在梁端，按照“強(qiáng)墻弱梁”的原則設(shè)計(jì)剪力墻，提高其抗震能力，避免墻肢的剪切破壞。

五、結(jié)束語

通過了高層建筑的受力特性、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置、抗震性能等多方面的概念設(shè)計(jì)，從而更加有效地提高高層建筑的抗震性能。

[1]馬成松.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2010

[2]龔思禮. 建筑抗震設(shè)計(jì)手冊(第二版)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

TU7

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1007-6344（2016）07-0067-01

張忠良（1981.12～），男，生于四川中江，本科，工程師/講師,主要研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)抗震、地基基礎(chǔ)。